第9章气候变化

1第九章气候变化第一节气候变化的概念第二节气候变化史实第三节气候变化的影响因素第四节气候变化研究方法2第一节9.1.1气候变化概念1气候变化与气候异常：由各种要素（气温、降水、气压等）所表征的气候状态相对于某一气候标准态的偏差或同类气候状态间的变化称为气候变化；当这种偏差（变化）超过一定程度称为气候异常。气候（标准态）：在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一区域在某一特定时段内天气的多年平均状况及其极端情形。32气候状态：地球上某一区域在某一特定时段内天气的某一年份或指定年份平均状况。3气候变率：大量同类气候状态间的方差，也经常用来专指年际及年代际的气候变化。或者：时间尺度大于天气尺度的气候变量围绕平均值的变化。气候变化包含气候变率4世界1月海平面气温（摄氏度）的分布5温度距平（℃）年公元1856－2003年全球地表温度变化（相对于1961－1990年30年气候平均）(updatedfromJonesetal.,2003)1860-2000年全球地表温度上升0.4－0.8℃(平均0.6℃)；近百年间17个最暖年份出现在1983年以后。20世纪以来，1998年最暖，2002年和2003年分别为第二和第三暖年。61980-1999与1950-1969年均SST差值场（年代际变化）74气候趋势：气候的长期变化倾向，即在记录时期(特定时期）具有单调地上升或下降特点的气候变化（线性和非线性趋势）8奇异谱分析（SSA）对全球平均地面气温序列的趋势拟合9样条插值函数对全球平均地面气温的趋势拟合105

气候波动（振荡）：气候状态围绕气候平均态的波动式变化，表现为准周期性振荡特征，有年际、年代际等时间尺度.1880-1996年中国东部35站的年降水量距平（以1961-1990年为基准期）（王绍武，1998）11全球平均气温的功率谱分析波数6（5年周期）波数17（22.5月周期）12准5年周期振荡准2年周期振荡全球平均气温SSA的重建分量序列13影响华北汛期降水登陆台风频数小波变换周期（年）146气候突变：从一种气候状态（或稳定持续的变化趋势或气候波动）跳跃式地转变到另一种气候状态（或稳定持续的变化趋势或气候波动）的现象。台风频数在1976-77年发生了突变（均值）气候趋势15气候变化气候波动：年际、年代际等尺度波动气候突变随机变化16周期段时间尺度振幅（Cº）大冰期与大间冰期几百万年-几亿年10亚冰期与亚间冰期十万年8-9副冰期与副间冰期

一-几万年5-7寒冷期（小冰期）与温暖期（小间冰期）几百年-几千年2世纪及世纪内的气候变动几年-几十年0.5各种周期气候波动17变化的时间尺度

主要特征、形成原因资料来源、分析和研究方法地质时期气候变化

历史时期气候变化

现代气候变化

气候变化时期的划分1.气候变化的多时间尺度性①短期气候变化（月，季，年）；②中期气候变化，其时间尺度为几年（年际变化）；③长期气候变化，其时间尺度为几十年（年代际变化）；④超长期气候变化，其时间尺度为几百年（世纪际变化）；⑤历史时期气候变化，其时间尺度为千年；⑥地质期气候变化，其时间尺度为万年或更长。由于有气候资料记载的时间不过几百年，对于气候变化研究也就主要集中在前四个时间尺度，尤其是前三个时间尺度的变化。但是，为了深入认识气候演变规律，探索气候变化的原因，历史时期和地质时期的气候变化问题也是很值得研究的。9.1.2气候变化的特征多时间尺度性阶段性突变性

气候变化的阶段性同气候变化的时间尺度是紧密联系的，不同时间尺度的变化也就有不同的阶段性。近千年来的气候变化也有其阶段性，在1300～1800年间的小冰期平均气温偏低，而在小冰期前后平均温度却相当高。在过去的50万年的时间里，冰期和间冰期有交替出现的现象。2.气候变化的阶段性间冰期暖期千年20中国东部夏季降水均值突变：从一个气候基本状态（以某一平均值表示）向另一个气候基本状态的急剧变化。趋势突变：两个气候阶段有完全不同的变化趋势，例如，某个气候阶段温度一致持续下降，其后一个气候阶段的温度一致持续上升。变率突变：变率突变包括两种情况，其一是振幅有明显差异的突变；其二是频率有明显差异的突变。3.气候变化的突变性三类气候突变示意图(a)均值突变；(b)趋势突变；(c)变率突变23第二节气候变化史实一、地质时期的气候变化1定义：时间尺度在几万年以上的气候变化.地质年代：代→纪→世世：时间尺度万年以上24地质年代气候概况代纪世纪持续时间（百万年）纪开始年龄（百万年BP）新生代第四纪全新世22大冰期更新世大间冰期第三纪上新世6466中新世渐新世始新世古新世中生代白垩纪66132侏罗纪53185三叠纪50235古生代二叠纪45280大冰期石炭纪65345泥盆纪55400大间冰期志留纪35435奥陶纪55490寒武纪80570元古代震旦纪30600大冰期太古代2526以温暖为主，大冰期和大间冰期交替出现。变温幅度平均约为10度三次大冰期二次大间冰期成煤纪2特点：大冰期与大间冰期旋回

1）三大冰期（1）震旦纪大冰期发生时间：在早古生代，距今约6亿年前。主要特点：这次冰期的影响范围几乎遍及世界五大洲，我国长江中下游地区都有震旦纪冰碛层。（吕梁运动）28（2）石碳—二叠纪大冰期发生时间：距今2.5~3亿年气候特点：冰期气候影响的主要在南半球；在北半球(除印度外)到目前为止还没有发现属于这次冰期的可靠遗迹。（3）第四纪大冰期发生时间：距今240万年前开始直到现在；主要特征：存在亚冰期与亚间冰期的冷暖反复交替。29第四纪大冰期中的亚冰期距今年数（万年）欧洲的亚冰期中国的亚冰期10武木亚冰期大理亚冰期20里斯-武木间冰期30里斯亚冰期庐山亚冰期40-60民德-里斯间冰期70民德亚冰期大姑亚冰期80-90群智-民德间冰期100-110群智亚冰期鄱阳湖亚冰期120-130多脑-群智间冰期140-160多脑亚冰期30据研究，在距今2.1万年前为第四纪冰川最盛时期，温度比现在低8-12度，一直到1.65万年前，冰川开始融化，大约在1万年前大理亚冰期（欧洲武木亚冰期）消退，此后气候逐渐回暖。31近40万年以来的气候变化

副冰期-副间冰期旋回南极东方站（Vostok）冰芯反演得到的气温、CO2、CH4的变化末次冰期冰盛期（LastGlacialMaximum:LGM)~21kaBP末次冰期（1.8万年BP）中气候最冷、冰川规模最大时段全球降温5-10C，降水普遍减少，冷干气候特征末次间冰期最暖时期（12万年BP）322）二大间冰期（1）寒武纪—石炭纪大间冰期发生时间：距今约3—6亿年。基本特征：雪线升高，冰川后退，气候显著变暖。‘石炭纪’在地质史上又称为‘成煤纪’。我国都处于热带气候。33（2）三叠纪一第三纪大间冰期发生时间：距今约2.5亿年-200万年，包括三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代的第三纪。主要特征：三叠纪时气候炎热而干燥，其后侏罗纪的气候由干热转为湿热，有利于植物生长，造成继石炭纪之后的第二个成煤时期。34二、历史时期的气候变化1定义:从第四纪大冰期中的武木（大理）亚冰期的最近一次副冰期之后的1万年至有器测资料的“冰后期”气候。从地质年代来看，该时期也称为全新世气候。2资料来源：冰芯、树木年轮、黄土、湖泊沉积、历史文献等3特点：温暖期与寒冷期交替出现354主要气候事件末次冰期冰盛期（LastGlacialMaximum:LGM)~21kaBP新仙女木事件（YoungerDryas:YD）~12.2-10.5kaBP全新世大暖期（MegathermalinHolocene）~8.5-3.0kaBP中世纪暖期(MedievalWarmPeriod)~AD900-1300

小冰期(LittleIceAge)~AD1320-192036新仙女木事件（YD）12.2-10.5kaBP全球冰川消退、气候回暖过程中发生的气候突变事件，YD结束后即进入温暖湿润的全新世全新世大暖期8.5-3.0kaBP间冰期中最暖阶段，该阶段时限较宽，包含一些气候波动。总体上暖于现代，降水多于现代全新世千年尺度气候波动与气候事件全新世存在千年尺度气候波动平均周期1.45ka

。11kaBP以来有9个寒冷期，最近一次为小冰期.大暖期（8.5-3.0kaBP）8.2kaBP冷事件中世纪暖期(AD900-1300)小冰期（AD1320-1920）现代增暖（20世纪）近2万年以来的气候变化37一万年来挪威雪线高度（实线）与五千年来我国温度（虚线）变迁中国近五千年内可以相对地分出四个温暖期与四个寒冷期。

200018001600140012001300150017001900+4+3+2+1-10-2-3-4100005000400030002000100050005001000150016001700180019001950高度（m）温度（℃）年代温暖期温暖期温暖期温暖期寒冷期寒冷期寒冷期寒冷期历史时期的气候变迁（近数千年的气候史）38全新世暖期中国温度较现代增加的幅度（单位:℃。施雅风等，1992）

oooooooooo12013012535451102350045700250750km100809039上图：中国过去2000年（加权）温度距平，分辨率：10年。粗线为3点滑动（Yangetal,2002）下图：东部过去1200年的温度距平，分辨率：50年。（据王绍武等，2000b）过去2000年中国东部温度变化中世纪暖期小冰期40青海湖孢粉所显示的近10ka气温（℃）、降水量（%）变化（王绍武等，2002a）全新世大暖期41三、近代气候变化特征1

器测资料：最早有气象观测记录地方佛罗伦萨（1652），伦敦（1668），巴黎（1752）2主要气候变化现象1）全球增暖(GlobalWarming)

波动阶段性上升不同区域增暖幅度不同，极区最显著42过去140年来地球表面气温变化情况

IPCCTAR:0.6±0.2˚C,0.58˚C/100a43过去150年来地球表面气温变化情况

IPCCAR4:0.45±0.12˚C,0.74˚C/100a20世纪增暖主要发生在两个阶段：1915-19451975后44LSATSSTGMST45全球、南北半球温度变化趋势对比（CRU）（℃/10a）（IPCC，2007）1850~2005年1901~2005年1979~2005年全球0.042±0.0120.071±0.0170.163±0.046北半球0.047±0.0130.075±0.0230.234±0.070南半球0.038±0.0140.068±0.0170.092±0.038陆地0.054±0.0160.084±0.0210.268±0.069海洋0.038±0.0110.067±0.0150.133±0.047陆地温度增暖速率比海洋快46全球温度变化趋势（℃/10a）（IPCCAR5）1901–2012：0.89°C(0.69°C–1.08°C)1951–2012：0.72°C(0.49°C–0.89°C)年平均气温的变化趋势4748极区增温更显著49Johannessenetal.(2004)全球增暖的证据：北极海冰面积减少50全球增暖的证据：海平面上升515253中国年平均气温距平(1880-1999年)

(国家评估报告：0.2~0.8˚C/100a)1998年是近百年最暖的1年，1990s是最暖的10年54中国年平均气温变化趋势（%/10a）分布图（1960—1999）55全球气候变化的基本特征全球地质时期气候变化的时间尺度在22亿年到1万年以上，以大冰期和大间冰期的交替出现为特征，气温变化幅度在10°C以上历史时期的气候变化是近1万年来，主要是近5000年来的气候变化，变化的幅度最大不超过2-3°C近代的气候变化主要是指近百年或20世纪以来的气候变化，气温振幅在0.5-1.0°C之间。562）近百年全球降水变化1900-2005年全球陆地降水距平的时间序列（以1981-2000年GHCN为平均值）（IPCC，2007）无显著趋势变化5758近百年来，全球平均降水无显著趋势变化不同数据集趋势间存在明显差异，同时降水也有较大时空变率。北半球中纬度陆地降水很可能总体上呈增加趋势。59603）近百年中国降水变化1880-1996年中国东部35站的年降水量距平（以1961-1990年为基准期）（王绍武，1998）根据史料和降水量观测结合无明显趋势20-30年周期61（1）近百年降水量并无明显趋势。（2）降水量的变化存在20-30年的干湿期交替：旱期：19世纪末到20世纪初有强旱期

20世纪30年代

20世纪60-70年代丰水期：20世纪初期

20世纪50年代气候变化与平均值或离差值变化的关系相对于1961–1990平均4）极端气候的变化63极端温度事件64极端温度事件65极端降水事件66热带气旋67气候变化的影响因素

自然原因

银河系变化、太阳演化、太阳活动地球轨道参数（轴倾、岁差、偏心率）大陆漂移、造山运动、火山活动海洋环流与海-冰-气-陆相互作用人为原因温室气体、气溶胶排放土地使用、热带雨林破坏城市化

……

时间尺度

不同时间尺度气候变化、形成机制不同第三节68冰期-间冰期循环（万年尺度）的形成机制米兰科维奇理论(Milankovitch,1941)~冰期天文理论轨道参数的周期性变动由于天体间引力的影响，地球轨道偏心率、地轴倾斜度和岁差等地球轨道参数发生变化，使地球接收到的太阳辐射产生差异，从而引起数十万年间的气候变迁。69160万年以来地球轨道参数变化地轴倾角（黄赤交角）4.1万年周期岁差2.2万年周期偏心率9.58万年周期1）地球轨道偏心率描述地球绕太阳运动轨道的圆扁程度，值越大越扁，值越小越圆。轨道偏心率越小(越接近圆形)时，四季变化相对较不明显，也不易有冰期的发生。反之，偏心率越接近1(但不等于)的轨道，四季明显，也较易产生冰期。。每隔10万年，地球公转轨道的偏心率变化一个周期e=0e=0.57121.8~24.5，现在为23.44地轴倾斜度的影响表现在：角度越大，高纬度地区因接受辐射的时间差异较大，易形成冰期。地轴倾斜度增加：高纬度辐射量夏季增大，冬季减少，年较差增大，且年辐射量增加；赤道地区年辐射量减少。2）地轴倾斜度(黄赤交角的变化)723）岁差在远日点时，若北半球倾向太阳冬天温度将会相对较高；若因进动而导致南半球在远日点时倾向太阳，北半球的冬天将较为酷寒。加上北半球陆地多，比热小，温度容易下降，而较容易形称冰期。732火山活动1）火山活动的影响：增加大气气溶胶。使地面气温下降，火山活动的“阳伞效应”。火山灰尘和硫酸气溶胶进入到平流层下层，由于不会受到于水的冲刷，它能扩散到整个半球，低纬度的喷发能扩散到全球，并在中高纬保持最大浓度，最后在极冠落下。强烈反射和散射太阳辐射，削弱到达地面的直接辐射火山灰停留时间短（几个月），硫酸气溶胶可停留数年，可长时间对地面产生净冷却效应。引起不同程度的全球气候波动：全球性的气温降低、降水增加、直接辐射减弱、散射辐射增加等。2）火山活动呈现周期性变化（如高桥浩一郎（1986）指出：70年周期）7475Krakatoa26August1883ElChichón3April1982761）太阳活动的表征：太阳黑子。太阳黑子多，太阳活动强，太阳光斑增加，太阳辐射增加.2）太阳活动的周期性特征：11年（太阳活动周）、22年（海尔周期）、世纪尺度；3）太阳活动周期与气候振动11年周期里，地球气候表现单的和双振动现象。如地球上雷暴频数、大气环流特征、气温等存在双振动现象（5-6年周期）地球气候表现出与太阳活动22年周期一致的海尔周期现象，如气压、气温、降水、阻塞高压频率、大气活动中心位置等太阳活动世纪周期与气候振动具有密切的联系，环流强度、台风频数等3太阳活动774大陆漂移与气候变化板块漂移、地形变化改变着地球海陆分布的形态，对地球气候的形成、演变具有重大影响78百年-千年尺度气候变化的形成机制海-气相互作用大西洋温盐环流（THC）变化79全球温盐环流回路80北大西洋温盐环流的变化导致千年尺度气候变化冰期冰盛期现代81北大西洋温盐环流的减弱或停止导致冷的气候突变事件海表温度盐度（新仙女木事件）82为何现代气候增暖归因于人类活动？

增强的温室效应机制数值模拟研究表明：单纯的自然变率不足以导致工业化以来以全球增暖为主要特征的气候变化气候变化的人为原因83温室气体增加产生的气候效应:

气候变暖海平面升高对降水量及分布的影响对全球生态系统的影响84未来气候变化的预估（Projection)温室气体的排放情景

(Scenario)不确定性（Uncertainty）气候突变

(AbruptChange)858621世纪全球气温预估

（不同模式、不同排放情景，IPCCTAR）8788由于二氧化碳在大气中能稳定存在约200年，即使保持当前的排放水平，也无法在短时间内使得二氧化碳浓度达到稳定CO2释放情景大气中CO2浓度气温的响应89LandareasareprojectedtowarmmorethantheoceanswiththegreatestwarmingathighlatitudesAnnualmeantemperaturechange,2071to2100relativeto1990:GlobalAveragein2085=3.1oC90全球变暖模拟的不确定性1）人类活动的不确定性：能源排放、人口增长、土地利用等方面的发展状况；2）人类活动排放的微量气体在辐射过程中的作用的复杂性；3）气候模式的不确定性。91未来气候突变的可能性美国国防部秘密报告：AnAbruptClimateChangeScenarioandItsImplicationforUnitedStatesNationalSecurity（气候突变情景及其对美国国家安全的含义）电影：TheDayafterTomorrow

（后天）201221世纪某个时段北大西洋温盐环流减弱或崩溃？92全球增暖情景下模拟的大西洋温盐环流崩溃及其气候后果93

全球变暖对人类与社会发展的影响1）农业：产量、生长的积温分布的可能变化、农作物耕作制度；2）林业：植被（森林）分布3）地球生态系统4）水资源：水循环、降水、径流；5）海洋和海岸带：海平面、海洋环流、海洋生态系统；6）人类健康；7）工业、运输等948）气候影响的不确定性（1）未来社会与经济发展的不确定性；（2）未来气候变化的不确定性；（3）气候影响模式的不确定性；（4）气候影响的局地性很强95

全球气候变暖